电子产品厂商们一直在挑战电池的化学特性以及空间缩小的极限，然而我们半导体人的贡献就在于给电源配一个电源管家(PMIC: Power Management IC)，来给各个components提供电源。然而这些电源管家自己也需要消耗电源(Conduction loss and Switch loss)，所以PMIC芯片就是要降低这些自身消耗的能量，当然这些说起来容易做起来难(It's easier said than done)。
先来讲讲什么叫电源管理芯片(PMIC: Power Management IC)，它是介于主芯片(如AP、Baseband等)与电源之间的芯片，主要用于给主芯片提供稳定的电源，也叫作Voltage Regulator，它的主要作用是不管外界电压变化、电流变化，甚至温度变化多么恶劣，他都需要持续稳定的输出一个指定电压(constant voltage)给主芯片工作，当然主芯片的工作电压都不一样，有些比电源电压高，有些比电源电压低，所以这些PMIC芯片需要根据需要实现升压(Step-up)或者降压(Step-down)。当然PMIC芯片除了给主芯片供电外，他还要承担的责任是电流控制(限流)、端口保护、充电保护等等，以防止损坏主芯片或者避免火灾等。
PowerIC要处理的信号很多，主要分为模拟信号处理、数字信号处理、以及高压处理，而这三个部分如果要做到精确必须分别依赖BJT、CMOS、和LDMOS，所以需要一种process把这三者集成在一起，于是就诞生了BCD工艺(Bipolar+CMOS+DMOS)。广义上讲，BCD也是一种SOC (System on Chip)。当然你也可以单独做BJT、CMOS和DMOS，然后把它们组合在一起实现各自功能，但是这样会让面积变大并且增加了BOM (Bill-of-Material) cost。但是合起来一起做挑战的就是FAB了，传统的Technology要么做CMOS、要么做BJT、要么做DMOS，这本来就是三种technology，各自都有其制程特殊性，现在要三合一成一种technology，其复杂度自然就是三倍了，这就是为什么FAB的BCD technology很难develop或者很难sustain了。这也是为什么BCD的technology总是最后一个shrink的原因，目前最cutting-edge的node也只有0.13um，而主流的mobile PMIC还是在0.18um。
从Marketing和Demand来讲，最近这几年PMIC非常火热的驱动力主要来自Smartphones、Tablet等消费类(2015年有10亿只Smartphone和一个亿的tablet)。每个手机的components都需要一个PMIC，比如AP处理器，Baseband处理器，Display Driver，Charger等等，所以可想而知PMIC的市场该有多大？根据IHS Research预计，2016年PMIC的shipping量(包括Converter, Controller, Voltage regulator, Battery management等)大约是35billion USD，到2019年会上升到40billion USD，主要的region依然是中国和美国。而Technavio's market research预估到2020年全世界BCD技术的年复合增长率会达到7%以上。
从厂商来讲，BCD技术主要起源于1980年代，但是由于制程过于复杂(niche technologies)，所以这种技术早期只有IDMs(Integrated-Device-Manufacturer)可以提供，比如主流的TI、ST、Infineon，还有其他如Renesas, NXP, Mitsubishi, Maxim Integrated, and ON Semiconductor等，随着Foundry技术能力的提升，主要的Vendor有TSMC和Global Foundry，还有Allegro MicroSystems、Jazz Semiconductor、Magnachip、Tower Jazz以及United Microelectronics。
好了，扯了一大堆没用的，还是来点技术干货吧！
我们知道在Power Management的前身是Power IC，所以重点在于“Management”。早期的Power IC功能比较单一，只能实现控制、转换功能(比如AC-DC, DC-DC等)，而到了Power Management IC时代，则需要增加Multi-channel DC-DC或LDO，而且增加DSP以及eNVM等功能，所以更进一步变成smart power。
先讲讲BCD里面的BJT吧，它主要用来做Analog处理，记住不是power哦，power是靠DMOS的。为什么要用BJT呢？主要是利用它的精准的Bandgap Vref。记得以前拉扎维的模电教材有一个经典的叫做带隙基准，其实他就是Bandgap。它主要的原理就是可以实现一个与温度无关的电压(NPN的Vbe是负温度系数，而BJT的等效热电压Vt=kT/e是正温度系数，这样就可以相互抵消从而实现温度无关的基准电压)，用这个电压作为模拟电路的参考电压来提高精准度。所以一般BCD里面Bipolar特别重要的是NPN管。但是有一点要记住，如果BJT的Hfe太小则表示Ib比较大，那么Vbe的温度系数会发生变化，所以这个基准电压也会发生变化的。
其次是CMOS，主要是做数字信号处理，就是一般的Logic部分，当然也有一部分CMOS可以用来做Analog信号处理，那么它和digital就不一样了，主要的concern是Noise。而这个Noise一般来自于两个，一个是相邻周边器件或导线电荷干扰，另一种则是来自于器件本身的Flicker噪声，而前者只能靠隔离(Trench or Deep-Well)后者需要Trap或Gettering来实现。现在主流的Sensor有很多微弱的信号处理都是需要CMOS的Analog应用，所以low-noise将会是重要的指标之一。比较经典的CMOS在analog应用就是差分放大器和镜像电流源。
当然CMOS除了Analog应用之外，还有就是RF的应用。
最后是DMOS，当然DMOS包含VDMOS和LDMOS，而BCD里面用到的肯定是LDMOS，因为他要与CMOS集成就无法在背面引电极了。这也是BCD能够处理Power的核心，而对他的要求就是Breakdown Voltage和Rdson，既能抗压也能减小conduction loss和Switch loss。而conduction loss主要来自导通电阻Rdson，而switch loss主要来自于Gate Capacitance (Qg)与Rdson的乘积。当Vg加在Gate上准备开启的时候，因为Gate与Drain、Source之间总会有电容的，而这个电容需要充电时间然后才能通过耦合开启器件，而这个充电时间就是RC-delay咯，所以如果要减小Switch Loss就必须减小栅极电阻以及降低Gate与Source/Drain的电容。一般情况下在一个Power模块中，High-side比较care的是Qg，而Low side一般care的是Ron。
BCD技术的挑战是什么？
1、温度：传统的Logic和analog我们认为几十度(85C)应该足够了，但是BCD因为有了DMOS它的温度一下子就上去了，所以它的reliability评估必须cover高温特性，比如125C~150C。
2、封装：传统的封装都是wire bond或者gold bond，需要基板和molding compound，但是这种封装方式最大的问题就是散热差，你想想你给BCD的芯片裹了那么多层被子，还不得捂死它啊？所以到了BCD时代必须采用CSP(Chip-Scale-Package)封装，这种封装方式的尺寸基本和Die Size相当，后来发展到Wafer-Level CSP，再后来到RDL+Flip Chip封装。(后面再专题学习封装吧~)
BCD技术的发展前景一定是以SOI+BCD为主流，主打低功耗低漏电，不管是在switch还是在功率放大领域。
没有评论:
发表评论